Краткий отчёт по Проекту РНФ № 14-22-00279 за 2016 г

"Фундаментальные поисковые исследования в области магнетизма, фазовых превращений, магнитоэлектроники и микросистемной техники"

В отчетном 2016 году все 5 групп лаборатории проводили исследования по плану проекта, получены следующие наиболее важные результаты.

Группой волновых процессов в магнетиках предложены новые наноструктуры на основе графена и магнитооптических материалов для управления поверхностными плазмон-поляритонами. В частности теоретически предсказан эффект гигантского фарадеевского вращения для поверхностных плазмон-поляритонов распространяющихся вдоль магнитооптически активных нанонитей с графеновым покрытием. Показано, что максимум азимутального распределения интенсивности в плазмонных модах высоких порядков может поворачиваться на угол порядка 100 градусов при изменении направления магнитного поля на противоположное. При исследовании дисперсионных характеристик плазмонов ТЕ-типа в цилиндрическом нанопроводе покрытом графеном показана возможность использования таких структур для управляемого распространения волн в частотном диапазоне от ближнего инфракрасного до видимого излучения. Теоретически изучена возможность управления с помощью внешнего магнитного и (или) электрического поля потоком энергии, переносимой эванесцентной электромагнитной волной ТМ- (ТЕ-) типа вдоль границы раздела оптически прозрачных сред. Исследованные процессы позволяют целенаправленно влиять не только на величину, но и на знак смещения пучка объемных электромагнитных волн, падающего извне наклонно или нормально на поверхность бианизотропной среды. Определены необходимые условия при которых поверхность прозрачного диэлектрика может отражать падающую извне объемную электромагнитную волну ТМ типа как идеальный электрический проводник, а  волну ТЕ типа как идеальный магнитный проводник  Показано что  в  слое магнитоскомпенсированого антиферромагнитного магнитоэлектрика  возможно формирование ранее неизветсного класса гибридных жипольных  волн с уникальными дисперсионными харктеристиками.

Группой новых магнитных функциональных материалов на основе оригинальных, разработанных в ходе проекта методов прямых экспериментальных измерений проведены экспериментальные исследования различных материалов. В частности с помощью прямого метода измерения МКЭ показано, что в монокристаллах соединения MnAs наблюдается рекордное среди всех известных магнитных материалов значение МКЭ в изотермическом режиме. Предложена теоретическая модель. С помощью специально разработанного оптического микроскопа изучено формирование мартенситной структуры сплава Гейслера Ni2.16Mn0.84Ga под действием магнитного поля до 14 Т в адиабатическом и изотермическом режимах. Построена (Т-Н) фазовая диаграмма мартенситного ФП 1-го рода для сплава Гейслера Ni2.16Mn0.84Ga. Показано, что зависимость характерных температур ФП 1-го рода от магнитного поля имеет линейный вид с коэффициентом 0,7 К/Т. Исследовано формирования мартенситной структуры при изотермических и адиабатических условиях. Обнаружено, что в адиабатических условиях для обратимого ФП требуется существенно большее магнитное поле, чем в изотермических. Предложена качественная модель, объясняющая разницу протекания магнитоиндуцированного ФП 1-го рода при разных термодинамических условиях. На основе предложенной новой прямой методики может быть исследован широкий круг материалов с прямым и обратным гигантским МКЭ и магнитоиндуцированным мартенситным ФП. Термомеханические свойства быстрозакаленной из расплава ленты Ni57Mn21Al21Si1, изучались в зависимости от температуры и приложенного напряжения. Разовая пластическая деформация ленты в мартенситном состоянии приводит к двухстороннему эффекту памяти формы, который очень устойчив к термоциклированию, и воспроизводим, по крайней мере до 1000 термоциклов.

Группой магнитооптики выполнены следующие работы. Исследованы магнитооптические характеристики (спектры магнитного кругового дихроизма) пленок феррит-гранатов толщиной от 0,6 нм до 100 нм. Использование вместо измерения эффекта Фарадея измерения магнитного кругового дихроизма является более эффективными при исследовании сверхтонких пленок магнитных диэлектриков типа феррит-гранатов, так как в область прозрачности подложки отсутствует влияние подложки на результаты измерений величины магнитного кругового дихроизма. Для висмутсодержащих феррит-гранатов измерение сигнала магнитного кругового дихроизма к глубине полосы оптического поглощения обеспечивает большую чувствительность, чем измерения ширины линии ферромагнитного резонанса в пленках одинаковой толщины. Согласно полученных результатам, чувствительности методики, основанной на измерении сигнала магнитного кругового дихроизма (МКД) в глубине полосы оптического поглощения феррит-граната в области длин волн 450-490 нм достаточно для надежной регистрации сигнала от пленки с номинальной толщиной всего 0,1 нм, если в пленке магнитного диэлектрика при такой толщине существует магнитное упорядочение. Предложена принципиально новая схема компенсационных магнитооптических измерений, и на основе этой схемы разработана уникальная магнитооптическая установка, предназначенная для измерения величины эффекта Фарадея в сверхтонких пленках феррит-гранатов и феррит-шпинелей с толщиной на уровне 10 нм и менее, нанесенных на парамагнитные подложки. В результате достигается надежное измерение значений эффекта Фарадея в пленке на уровне 0,1 угловой минуты при величине парамагнитного вращения подложки, например, из гадолиний-галлиевого граната величиной 5 угловых минут. Такие значения характерны для подложки из гадолиний-галлиевого граната толщиной 0,5 мм в магнитном поле с напряженностью 2 кЭ.

Группой магнтосенсорики измерены величины параметров магнитной диссипации образцов ферритов-гранатов различных составов при комнатной температуре. Произведено сопоставление с теоретическими моделями диссипации ферритов-гранатов, в частности диссипации за счет магнитоупругой связи. Исследованы собственные флуктуации намагниченности феррита-граната в составе магнитного сенсора. Теоретические показано, что собственные шумы магнитного материала на два порядка меньше чем уровень шума, обусловленный флуктуациями в электромагнитной системе сенсора. Проведена оптимизация конструкции электромагнитной системы, обеспечившая увеличение добротности возбуждающих катушек.

Проведены исследования собственных флуктуаций намагниченности феррита-граната в составе магнитного сенсора. Как показали теоретические исследования второго этапа, собственные шумы магнитного материала на два порядка меньше чем уровень шума, обусловленный флуктуациями в электромагнитной системе сенсора. На основании полученных результатов проведена дальнейшая оптимизация конструкции электромагнитной системы, связанная с увеличением добротности возбуждающей электромагнитной системы. Вторым направлением работ по увеличению чувствительности сенсора явилось охлаждение сенсора с целью разделения вклада в сенсорные шумы термических флуктуаций феррита-граната и возбуждающей электомагнитной системы.  Известно, что проводимость меди с понижением температуры может существенно уменьшаться в зависимости от содержания примесей. Для изготовления резонаторов был применен материал RO4003C с 35 мкм покрытием медью и защитным слое серебра.  Для изготовления сенсорного элемента применялись эпитаксиальные пленки железо-иттриевого граната, выращенные в двух различных расплавах. Первая группа пленок была изготовлена из раствор-расплава с растворителем  Bi2O3, во второй использовался комбинированный растворитель Li2MoO4-Y2(MoO4)3. Первая группа являлась по существу контрольной, в то время как вторая должна была продемонстрировать отличия физических свойств связанные с уменьшенным по отношению к первой группе содержанием двух и четырех валентных ионов. Проведены исследования влияния охлаждения на свойства эпитаксиальных пленок феррита-граната выращенных из безсвинцовых раствор-расплавов для оценки параметров магнитной восприимчивости и оценки шумов магнитного сенсора. Измерения температурных зависимостей ФМР составов первой и второй группы выявило существенные отличия между эпитаксиальными структурами полученными из  расплава на основе Bi2O3 и  выращенными из расплава на основе Li2MoO4-Y2(MoO4)3.. Установлено, что температурные зависимости резко отличаются, причем в одинаковых условиях измерения, практически все составы пленок YIG повторяют температурную зависимость группы 1. Быстрый рост частоты ФМР с понижением температуры, наблюдаемый в группе 2, уникален для пленок YIG  и  повторяется для всех образцов внутри группы. Характерной особенностью пленок второй группы следует признать интерфейс подложка-пленка. Поскольку растворитель Li2MoO4-Y2(MoO4)3 практически не растворяет подложку, то в процессе эпитаксиального роста практически не возникает переходной области на интерфейсе подложка-пленка. На отсутствие переходной области, косвенно указывает довольно интенсивный магнитоакустический резонанс на частоте 3890 МГц. Обнаруженные эффекты позволят знаяительно повысить качество и чувствительность магнитных сенсоров.

Группой коллективных магнитных состояний проведен поиск новых эффектов коллективного поведения магнитных возбуждений в новых специально разработанных материалах. Получены новые, неожиданные результаты по поведению ФМР в ферритах-гранатах, выращенных из безсвинцовых расплавов в диапазоне температур от 10 до 300 К. Обнаружен эффект гигантского сдвига частоты ФМР при понижении температуры для пленок выращенных из расплава на основе Li2MoO4-Y2(MoO4)3. Ключевыми отличиями пленок выращенных из расплава  Li2MoO4-Y2(MoO4)3 от других образцов, следует считать крайне низкое содержание двух и четырех – валентных ионов (эти кристаллы содержат на два порядка величины меньше ионов Pt4+ и других нетрехвалентных примесей, чем кристаллы YIG, полученные другими методами.  Другое важное отличие заключается в структуре интерфейса подложка-пленка. Поскольку растворитель Li2MoO4-Y2(MoO4)3 практически не растворяет подложку, то в процессе эпитаксиального роста практически не возникает переходной области на интерфейсе подложка-пленка. Такая структура магнитного слоя может приводить к существенному усилению магнитоакустических эффектов, в том числе со сдвигом частоты.